Studies of double electron capture in Xe-124 with the LUX-ZEPLIN detector

Abstract

The pursuit for the most elusive particle ever searched for, dark matter, requires an experiment with a very low background. Therefore, besides these studies, it is possible to look for other rare processes. An excellent example of this kind of search is the one carried out during this thesis for the double electron capture of the Xe-124 isotope. We studied the normal decay mode, during which two neutrinos are emitted. This represents the first step for the search of neutrinoless processes, where no neutrinos are emitted, which, if true, would prove that neutrinos are Majorana particles. The Majorana nature of neutrinos could help solve two main concerns in Particle Physics: the mass hierarchy problem and the fact that neutrinos are massive, which can not be explained by theStandard Model (SM). In this work, we use data from the LUX-ZEPLIN (LZ) experiment to search for this decay. We will start by understanding how this type of detector works, followed by the analysis of detailed Monte Carlo simulations to construct a background model and to predict the required time to reach the discovery potential (5σ) for the KK mode (simultaneous electron capture from the K shell), as well as the observation (3σ) and discovery potential for the KL mode (electron capture from the K and L shells). Using the best estimates for the backgrounds during the Science Run 1 (SR1), we obtain that the LZ experiment will be able to claim a discovery in the KK mode after 44 days of exposure, whereas it could claim an observation and a discovery in the KL mode after 117 and 329 days, respectively. However, the LZ experiment will not be able to observe the LL mode during its 1000 days of exposure. Finally, after doing a removal time study following the production of I-125 isotope, a very important background for our search, it was established that the last 50 days of the SR1 were safe to use for our work. Using that data set with 46.7 days of live time, we were able to obtain the half-life for this decay, T^{2ν2EC}_{1/2} = (1.3 ± 0.1(stat.) ± 0.1(sys.)) × 10^{22} yr, with a statistical significance of 3.9σ.

A procura pela partícula mais elusiva de sempre, matéria escura, requer uma experiência com um fundo muito reduzido. Portanto, para além destes estudos, outros processos raros são também possíveis de procurar. Um exemplo excelente deste tipo de procura é este realizado durante esta tese para a captura electrónica dupla para o isótopo Xe-124, onde dois neutrinos são emitidos neste processo. Isto representa o primeiro passo para uma procura por processos sem emissao de neutrinos, que, se observados, irão provar que os neutrinos são partículas de Majorana. A natureza de Majorana dos neutrinos pode ajudar a resolver dois problemas fundamentais da Física de Partículas: o problema da hierarquia de massas e o facto de os neutrinos terem massa, que o Modelo Padrão não consegue explicar. Neste trabalho, usamos os dados provenientes da experiência LUX-ZEPLIN na procura por este decaimento. Iremos começar por perceber como é que este tipo de detector funciona, seguido pela análise de simulações de Monte Carlo do detector que foram usadas para gerar um modelo de background e para prever o tempo necessário para alcançar um nível estatístico de descoberta (5σ) para o modo KK (captura simultânea de eletrões da camada K), bem como os níveis estatísticos de observação (3σ) e descoberta para o modo KL (captura de eletrões das camadas K e L). Usando a melhor estimativa para os backgrounds durante a primeira campanha de aquisição de dados da experiência (SR1), estimamos que a experiência LUX-ZEPLIN será capaz de alegar uma descoberta no modo KK depois de 44 dias de exposição, enquanto que para alegar uma observação e uma descoberta no modo KL serão necessários 117 e 329 dias, respectivamente. Contudo, a experiência de LUX-ZEPLIN não será capaz de observar o modo LL durante os seus 1000 dias. Finalmente, depois de fazermos um estudo do tempo de remoção do isótopo I-125 gerado durante a calibração dodetector com neutrões, um fundo bastante importante para a nossa procura, estabeleceu-se que os últimos 50 dias da SR1 eram seguros para usar no nosso trabalho. Usando esse conjunto de dados com 46.7 dias de tempo efectivo, conseguimos obter o tempo de meia-vida para este decaimento, T^{2ν2EC}_{1/2} = (1.3 ± 0.1(stat.) ± 0.1(sys.)) × 10^{22} yr, com uma significância estatística de 3.9σ.